En una era marcada por un cambio global hacia soluciones energéticas sostenibles, la industria del hidrógeno está a la vanguardia de esta ola transformadora. El hidrógeno verde, producido mediante energía renovable alimentada por electrólisis del agua, destaca como solución clave para descarbonizar sectores en los que la electrificación directa sigue siendo un reto.

Este giro es un paso esencial hacia la reducción de emisiones en industrias pesadas, como el refino de petróleo, y sectores del transporte como la navegación marítima. Gobiernos y empresas de todo el mundo se están fijando objetivos ambiciosos para aumentar la producción de hidrógeno verde, destacando su potencial para mejorar la seguridad energética y desbloquear nuevas oportunidades de mercado.

La innovación continua en la tecnología de los electrolizadores es la clave del auge del hidrógeno verde. Los electrolizadores, dispositivos responsables de la división del agua en hidrógeno y oxígeno, dependen en gran medida de materiales avanzados para sus electrodos, membranas y catalizadores. Estos componentes son fundamentales para optimizar la eficiencia, la durabilidad y el rendimiento general. Las innovaciones en la ciencia de los materiales, como el desarrollo de membranas más robustas o catalizadores eficientes, desempeñan un papel fundamental en la reducción de costes, el aumento de la vida útil y la minimización del uso de materiales raros y caros. A medida que aumenta la demanda de hidrógeno ecológico, los avances en la tecnología de materiales son cada vez más cruciales. Sin embargo, no se trata sólo de crear electrolizadores más eficaces. También se trata de garantizar que estos sistemas sean sostenibles, escalables y accesibles para allanar el camino hacia una economía del hidrógeno verdaderamente ecológica.

El nuevo informe de IDTechEx, "Materials for Green Hydrogen Production 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts", profundiza en los materiales y componentes actuales y futuros utilizados en las cuatro principales tecnologías de electrolizadores de agua. También cubre los métodos de producción, las actividades comerciales, los actores clave de la industria y las principales innovaciones en todos los componentes de la pila de electrolizadores.

Electrolizador de agua alcalina (AWE): Innovación con materiales ampliamente disponibles
Los electrolizadores de agua alcalina, una tecnología probada y robusta, funcionan utilizando una solución alcalina líquida, normalmente KOH, y un diafragma poroso para separar las cámaras de media celda. Se espera que esta tendencia continúe gracias a la utilización de materiales de fácil acceso, como el níquel y el acero inoxidable. En la actualidad, los sistemas AWE se clasifican en configuraciones de brecha finita y de brecha cero. Esta preferencia se debe a la inclusión de capas porosas de transporte (PTL), que aumentan significativamente la eficiencia y las propiedades de transporte del gas.

La innovación sigue siendo una fuerza motriz en el ámbito de los sistemas AWE, y los fabricantes exploran nuevas fronteras en recubrimientos de electrodos y catalizadores. El objetivo de estos avances es mejorar la eficiencia y la eficacia de esta tecnología consolidada. Además, cada vez se presta más atención al perfeccionamiento de los diseños de las pilas para facilitar una evolución del gas más sensible. Estas innovaciones son cruciales para permitir una mejor integración con las fuentes de energía renovables y optimizar la producción ecológica de hidrógeno. Aunque muchas empresas han empezado a producir pilas internamente, se sigue dependiendo de proveedores externos para varios componentes. Esta interdependencia presenta oportunidades para seguir innovando, sobre todo en el avance de los catalizadores y la evolución de las configuraciones de las pilas para mejorar las capacidades de los sistemas AWE.

 
Componentes de las células de los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEMEL). Fuente: IDTechEx

Electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEMEL): Mayor eficiencia con menor uso de metales preciosos

Los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEMEL) están ganando adeptos por su alta eficiencia, diseño compacto y adaptabilidad a las fluctuantes fuentes de energía renovables. Aunque hay un movimiento hacia la estandarización de los materiales de las pilas de PEMEL, la innovación dista mucho de estar estancada, sobre todo en el desarrollo de catalizadores anódicos. Los últimos avances incluyen catalizadores que mantienen una elevada actividad catalítica al tiempo que reducen significativamente el uso de iridio, lo que disminuye el coste del material por kilovatio (kW) y mejora la asequibilidad general. Y lo que es más importante, la adopción de estas innovaciones es fundamental para el éxito de PEMEL, ya que hay muchos temores de que su potencial se vea limitado por el futuro suministro de iridio.

Otras innovaciones de la tecnología PEMEL son diversas e impactantes. Por ejemplo, los avances en el adelgazamiento de las membranas de intercambio de protones contribuyen a mejorar la eficiencia, mientras que los revestimientos innovadores de las placas bipolares de titanio aumentan la durabilidad y reducen la dependencia de los metales preciosos. Estos avances, junto con los avanzados diseños comerciales de PEMEL, ponen de manifiesto el potencial de mejora significativa del rendimiento de las pilas. Los nuevos revestimientos y métodos de fabricación, sobre todo de la membrana recubierta de catalizador (CCM), están a la vanguardia de estas mejoras y prometen una nueva era de tecnología PEMEL rentable y eficiente.

Electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEMEL): Fusión de las ventajas de AWE y PEMEL

El electrolizador de membrana de intercambio aniónico (AEMEL) es una tecnología en expansión que pretende aprovechar lo mejor de las tecnologías alcalina y PEM. El AEMEL pretende combinar la abundancia de material del AWE con la alta eficiencia característica del PEMEL. Esta tecnología está experimentando un rápido crecimiento e innovación, ejemplificados por empresas como Enapter, que son pioneras en sistemas comerciales a escala de megavatios.

Al ser una tecnología relativamente joven, los materiales no están tan estandarizados como en AWE y PEMEL. Por lo tanto, existe un gran potencial de innovación con AEMEL, y la investigación académica y comercial se concentra en el avance de las membranas y los catalizadores de esta tecnología. Este aspecto no sólo alimenta su potencial de innovación, sino que también sitúa a AEMEL en una posición estratégica para revolucionar potencialmente el panorama de las tecnologías de electrolizadores gracias a su combinación potencial única de estabilidad, eficiencia y accesibilidad de materiales.

Células electrolizadoras de óxido sólido (SOEC): Innovación cerámica a altas temperaturas

Las pilas electrolizadoras de óxido sólido (SOEC) representan una tecnología relativamente incipiente en el panorama de la electrólisis, con una menor presencia en el mercado en comparación con AWE y PEMEL. Sin embargo, la SOEC está cobrando un impulso significativo gracias a las innovaciones compartidas con el sector de las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). La intercambiabilidad entre las pilas SOFC y SOEC, sobre todo en su uso de materiales similares, es una ventaja clave. Aunque algunos componentes cerámicos ya se han establecido en la tecnología, el desarrollo de nuevos conjuntos electrodo-electrolito en las SOEC sigue siendo un área dinámica de innovación. Esto incluye variaciones considerables en el diseño de las pilas y el uso de materiales entre los distintos fabricantes de pilas. Éstas van desde las de tipo metálico a las de tipo electrodo-electrolito, cada una con sus propias ventajas y que incorporan diversos materiales cerámicos.

Uno de los principales retos de la SOEC es la compatibilidad térmica de los distintos materiales. Esto ha provocado avances en los demás componentes de la pila, como las interconexiones y los selladores. Los nuevos materiales y recubrimientos mejoran la compatibilidad térmica y reducen la degradación de los componentes de la pila. En general, existe una amplia gama de materiales utilizados en las pilas SOEC, lo que no sólo subraya la diversidad de la tecnología, sino también el potencial de innovación de los materiales en estos electrolizadores de alta temperatura. El panorama en evolución de la SOEC presenta interesantes posibilidades de avance de la tecnología de electrólisis mediante nuevos materiales cerámicos y configuraciones innovadoras de las pilas.

Perspectivas del mercado y perspectivas estratégicas

Las previsiones de IDTechEx estiman que el valor del mercado de componentes de electrolizadores alcanzará la impresionante cifra de 31.700 millones de dólares en 2034. Este crecimiento está impulsado principalmente por la rápida evolución de la industria del hidrógeno verde, en la que los electrolizadores desempeñan un papel crucial. En el nuevo informe "Materials for Green Hydrogen Production 2024-2034: Technologies, Players, Forecasts" de IDTechEx, se presenta un análisis exhaustivo de los materiales y componentes actuales y futuros utilizados en las cuatro principales tecnologías de electrolizadores de agua: electrolizador de agua alcalina (AWE), electrolizador de membrana de intercambio protónico (PEMEL), electrolizador de membrana de intercambio aniónico (AEMEL) y electrolizador de óxido sólido (SOEC).

El informe ofrece un desglose detallado de los costes de las pilas por componente, centrándose en las pilas AWE, PEMEL y SOEC. Se ofrecen listas completas de proveedores de pilas de electrolizadores, componentes y materiales, con estudios de casos de innovaciones comerciales clave en el sector. Además, ofrece previsiones de mercado granulares a 10 años, cuantificando la demanda de materiales y componentes en toneladas, metros cuadrados (m2) y millones de dólares anuales. Este informe ofrece una visión profunda de las tendencias y perspectivas actuales del mercado de electrolizadores, destacando las oportunidades clave y la dirección del crecimiento de la industria.